鈦合金在手表上的應用

李鵬，楊麗

鈦合金在手表上的應用

李鵬，楊麗

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著時代的發(fā)展與科技水平的進步，越來越多的材質(zhì)被應用于手表的加工，憑借越來越先進的加工技術(shù)，不斷迎合著愛表人的追求。近年來，隨著一款款鈦合金手表的問世，鈦合金在手表上的應用日漸成熟，但受限于鈦合金的加工難度及昂貴成本，鈦合金手表的市場普及還有一段路要走。

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近年來，由鈦合金做表殼和表帶的手表已越來越多，這不單純是時髦，主要在于鈦金屬有比重輕、耐腐蝕等很多優(yōu)點，比如其強度和硬度接近于不銹鋼，但比重只有鋼的一半，而耐腐蝕的特性使其基本不生銹，且綠色環(huán)保，不像鎳金屬那樣對人體有傷害。

1 鈦與鈦合金

1.1 鈦的由來及特性

鈦是一種在地殼中發(fā)現(xiàn)的銀白色過度金屬元素，是一種閃亮且很有光澤的金屬或者銀灰色或暗灰色的粉末，如圖1所示。它的合成物幾乎可以在所有的火成巖石和鈦砂礦床中找到。鈦被認為是一種稀有金屬，這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對豐富，它在地殼的蘊藏量排名第九。鈦礦石的供應至少還可以維持一萬年。在隕石、月球巖石、太陽和其他星球都發(fā)現(xiàn)了它的存在。不過，鈦的提取過程相對較慢且費用過高，這使得它的價格昂貴。很多年來，高昂的價格限制了鈦在軍事和航空領(lǐng)域的運用。

圖1 鈦

鈦的許多特性使它極具工業(yè)和商業(yè)價值。堅硬方面，鈦比鋼的硬度高30%，具有優(yōu)良的強度保持性；質(zhì)地輕，鈦的重量為47.90個原子尺度，比鋼將近輕了50%[1]；耐腐蝕性能強，當把鈦暴露于空氣中時，其表面會形成一層緊密且強韌的氧化膜，可以抵抗不同物質(zhì)對其金屬的侵蝕，尤其是抵抗鹽水的腐蝕。鈦的化學性質(zhì)極為活潑，易與空氣中的氫、氧等物質(zhì)相互作用，形成極穩(wěn)定的化合物，所以平日里所說的鈦金屬實際上是鈦合金，它由鈦、鋁、釩、鎳、鉬等元素構(gòu)成，主要特點是強度高、質(zhì)量輕，并具有超強的耐腐蝕性。

1.2 鈦的應用領(lǐng)域及發(fā)展

鈦金屬誕生于1971年，英國業(yè)余科學家威廉?喬治，在分析來自康沃爾的砂土時，發(fā)現(xiàn)一些他自己無法識別的“紅褐色的礦灰”。1975年，一位奧地利化學家MARTIN證實了喬治確實發(fā)現(xiàn)了一種新元素。KLAPROTH把這種新元素命名為“鈦”。然而，鈦合金工業(yè)用途的開發(fā)還較新。來自盧森堡的WILHELM被認為是現(xiàn)代鈦工業(yè)之父，他在20世紀30年代期間，開發(fā)了一種加工鈦金屬的方法，并在20世紀40年代期間將之改良，此法今天還在沿用。20世紀70年代中期前，超過85%所生產(chǎn)的鈦都用于航空工業(yè)。鈦的獨特性能使得它成為建造噴氣式飛機、火箭、太空飛船的引擎和飛機框架的理想材料。它的軍事用途則是武器，像炮兵的導彈和駐退機。從20世紀70年代開始，鈦金屬工廠產(chǎn)品的價格持續(xù)下跌，這樣才使鈦金屬被廣泛運用于各行各業(yè)。

1.3 鈦金屬作為手表材質(zhì)的優(yōu)勢

寶璣Type XXI 3810如圖2所示，帝舵Heritage Advisor如圖3所示，卡地亞SANTOS 100如圖4所示。

鈦金屬作為手表材質(zhì)有以下幾方面的優(yōu)勢：①佩戴輕便。鈦合金的比例輕，僅為鋼的60%。②耐磨耐用。鈦金屬比鋼更堅硬，鈦金屬手表更耐用耐磨，表殼不易刮花。③耐腐蝕好。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼，對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。④親膚性好。防過敏、不含鎳，享有“親生物金屬”的美譽，佩戴用它制造的手表不會出現(xiàn)皮膚過敏等問題。⑤自然環(huán)保。鈦來自大地且可以回收。歐米茄海洋宇宙系列如圖5所示，飛亞達神舟十一號紀念款如圖6所示。

2 鈦合金材料的加工

隨著對鈦合金的不斷研究以及科學技術(shù)手段的不斷發(fā)展，鈦合金在機械加工領(lǐng)域的運用也逐漸成熟。但是從實際情況來看，其在進行機械加工時還存在諸多問題，加工操作還是比較困難，一定要嚴格遵守鈦合金材料的加工原則，按著正確的加工程序進行加工，保證機械加工可以順利完成，并盡可能減少其不當操作帶來的影響。

圖2 寶璣Type XXI 3810

圖3 帝舵Heritage Advisor

圖4 卡地亞SANTOS 100

圖5 歐米茄海洋宇宙系列

圖6 飛亞達神舟十一號紀念款

2.1 鈦合金的加工特性

鈦合金的導熱系數(shù)小，導熱性差。在加工鈦合金時切削溫度高，如TC4鈦合金的切削溫度是45號鋼切削溫度的2倍，同時溫度很難得到釋放。鈦合金比熱小，加工時局部溫度上升迅速，造成刀具溫度很高，刀尖急劇磨損，使用壽命降低[2]。鈦合金彈性模量低，使已加工表面容易產(chǎn)生回彈，特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴重，易引起后刀面與已加工表面產(chǎn)生強烈摩擦，從而磨損刀具和崩刃[3]。鈦合金化學活性很強，高溫下易于氧、氫、氮發(fā)生作用，使其強度增加、塑性下降，在加熱和鍛造中形成的富氧層的機械加工困難。

2.2 鈦合金的加工原則

鈦合金的加工應遵循以下原則。

2.2.1 選擇合適的刀具

刀具材料應選擇較常用、價格較低、耐磨性好、熱硬性高、具有足夠韌性的材料。加工鈦合金常用的刀具材料如高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、涂層刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、聚晶金剛石（PCD）刀具。刀具幾何參數(shù)方面，以常用的車刀為例。為保證車刀的剛性，粗加工時刀具前角、后角要小；精加工時，為得到良好的表面質(zhì)量與加工精度刀具要保證鋒利，前角、后角、螺旋角要大一些。

2.2.2 合適的切削條件與加工量

機床-夾具-刀具的加工系統(tǒng)剛性要好，機床各部分間隙要調(diào)整好，主軸的徑向跳動要小。夾具裝夾工件要牢固，要有足夠的剛性。刀具切削部分盡量要短，在容屑足夠的情況下盡量加大切削刃厚度，提高刀具的強度和剛性。

在加工鈦合金時，加工量應注意不宜過大。以車削為例，斷續(xù)切削條件下，推薦的切削用量為：15～28 m/min，=0.25～0.35 mm/r，=1～3 mm[4]。

連續(xù)切削的條件下，推薦的切削用量為：=50～70 m/min，=0.1～0.2 mm/r，=0.3～1 mm[4]。

2.2.3 材料的適當熱處理

經(jīng)過機械加工的鈦合金零件表面會產(chǎn)生應力，這種應力的大小與切削加工條件有關(guān)。加工后，應進行退火處理。退火通常是在不同溫度下進行加熱保溫，退火溫度與相對應的加熱保溫時間應逐漸提高。加熱保溫后空冷進行，完全消除應力，退火中避免吸入氫，鈦合金零件退火需在真空爐內(nèi)進行，既能消除應力，又能除氫。

3 鈦合金手表的發(fā)展趨勢

由上可知，鈦合金加工工藝要求嚴格，對其加工后的熱處理也有明確要求。相比較于手表傳統(tǒng)材料不銹鋼的加工，鈦合金的加工工藝更為復雜和苛刻，難度高、成本大，難以大規(guī)模應用。鈦合金的彈性模量小，加工后極易產(chǎn)生“回彈”，對于薄壁零件的加工尤為明顯，因此鈦合金手表的表殼通常厚一些，略顯笨重。除了材質(zhì)本身的特性外，在設(shè)計理念方面，鈦合金表也與傳統(tǒng)表款截然不同。它追求的不是表面的光鮮亮麗，而是深藏不露的低調(diào)奢華。本身色澤暗淡，再加上幾乎無法進行拋光，即便是新表看上去也不那么光亮。喜歡光鮮亮麗腕表的愛表人還是占市場主導，鈦合金手表的市場熱度仍未達到很高的水平。雖然鈦合金材料在手表上的應用存在很多局限性，但隨著科技水平的進步、消費水平的提高、價值取向的轉(zhuǎn)變，鈦合金手表以其獨特的優(yōu)勢，在整個腕表行業(yè)里，仍是一個重要的發(fā)展方向，未來市場值得期待。

4 結(jié)束語

鈦合金材料優(yōu)良的特性以及發(fā)展應用的成熟，讓鈦合金手表相較于傳統(tǒng)手表具有無可比擬的優(yōu)勢。但受限于鈦合金的加工難度及昂貴成本，鈦合金手表作為高端奢侈品，其市場普及還有一段路要走，值得愛表人士期待。

［1］薛杰，李淑貞，王云飛，等.水洗工藝對磷化質(zhì)量的影響［J］.上海涂料，2012（2）：17-18.

［2］洪翔，譚業(yè)發(fā)，胡曉光，等.鈦合金表面電火花沉積強化技術(shù)研究進展［J］.熱加工工藝，2013（20）：24-27.

［3］陳曌紅.鈦合金性能及其加工現(xiàn)狀的研究［J］.機電技術(shù)，2013（5）：96-98.

［4］游紅超，袁芬.鈦合金車削加工刀具和切削用量的研究［J］.電子世界，2013（8）：206-207.

TG146

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.069

2095－6835（2019）16－0156－02

李鵬（1988—），男，主要從事機械制造方面的研究。

〔編輯：嚴麗琴〕